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摘要 现代化电梯的性能和功能随着变频技术和微电子技术的发展，而日臻完美。 以 d s p 和嵌入式芯片为内核的电梯控制系统实现了快速、精确、优良的运行特性，遥 测遥控和智能化管理技术，更广见于智能化小区和智能化楼宇的群控系统中，它已成 为智能化大厦必不可少的组成部分。如今，现代船舶上也已装备了船用电梯，因此掌 握船舶电梯设备的功能成为新一代轮机员必不可少的任务之一。本课题针对培训船舶 轮机员的目的应用可视化软件、人机交互的监控界面、工控机与变频器通讯的方式模 拟了电梯的基本功能。 本课题开发了6 层电梯模型( 每层高约半米左右) ，为研究电梯的监控系统提供 了良好的硬件环境：同时选择可视化编程软件v i s u a l b a s i c 6 0 作为开发工具，为今后 模拟教学创造了良好的软件环境。在此基础上本文重点介绍了电梯逻辑控制系统、调 速控制系统以及故障诊断系统的开发过程。课题实现了电梯的基本功能：层问呼叫、 起停控制、应急呼叫、自动运行状态、消防运行状态、检修运行状态、驾驶员运行状 态以及电梯的安全保护监控、故障诊断等。 首先，逻辑控制环节是电梯控制的最基本环节。仔细研究电梯运行的基本逻辑关 系，根据层间呼叫的条件严格编写了逻辑控制软件。软件开发后，通过p c l 一7 2 2 数 据采集板卡进行数据传输，把电梯软、硬件连结起来，实现了模型电梯的基本逻辑功 能。 其次，调速控制环节是电梯控制的最重要环节。电梯的乘坐舒适度及运行效率是 评价电梯优良的基本性能指标。一台好的电梯，起动及制动时乘客几乎没有不适的感 觉：而且电梯会很快运行到乘客指定的楼层。因此选取优化的运行曲线是很重要的， 首先课题选取了直线抛物线运行曲线，再通过变频调速的原理，运用串口通信技术， 输出o 0 1 h z 的调速步长，优化运动曲线，达到平滑软起动、制动的最终目的。 最后，课题根据调研的电梯常见故障，归纳出故障的可能原因和可能的排除方法， 应用v b 数据链接技术开发了故障诊断程序。该程序使操作人员不用到现场就能方便 的知道故障出现的位置，并可查到发生此故障可能的原因及排除方法。针对实验室培 训轮机员的目的，课题还研制了故障测试评分软件，以问答的形式要求测试人员回答 故障原因、解决方法，为实验室提供了便捷的教学方案。 本课题实现了软、硬件开发，数据采集，串口通讯，数据库链接等方面的研究， 还针对教学，为实验室提供了真实、便捷的实验环境。具有较高的理论和实用价值。 关键词：数据采集逻辑控制串行通讯优化控制变频调速故障诊断 a b s t r a c t a l o n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to f f r e q u e n c y c o n v e r s i o na n dm i c r o e l e c t r o n i c st h e c a p a b i l i t yo fa ne l e v a t o rb e c o m e sm o r ea n dm o r ep e r f e c t t h ec o n t m ls y s t e ms e t u pb yd s pa n de m b e d d e dc h i p sc a nm a k ea ne l e v a t o rr u nm u c hm o r es m o o t h l y r a p i d l ya n dp r e c i s e l y t h et e c h n o l o g y o fr e m o t ec o n t r o la n dm a n a g e m e n th a sb e e n a p p l i e d i na l lk i n d so f g r o u p c o n t r o i s y s t e m s t h e e l e v a t o rh a sb e e na n i n d i s p e n s a b l ee q u i p m e n t o ft h ei n t e l l i g e n tb u i l d i n g s a n dn o w , m o d e r ns h i p sh a v e b e e ne q u i p p e dw i t hs h i pe l e v a t o r s s oe n g i n e e r so nb o a r dh a v et og e tf a m i l i a rw i t h t h es h i pe l e v a t o rp e r f o r m a n c e t h ep r o j e c ti sd e v e l o p e db a s e do nv i s u a ls o f t w a r e ， s e r i a lc o m m u n i c a t i o na n ds u p e r v i s i o ni n t er f a c e ，as m a l ll a be q u i p m e n th a sb e e n m a d et os i m u l a t et h ep e r f o r m a n c eo ft h er e a le l e v a t o r t h ei a be l e v a t o rc o n s i s t so f6f l o o r sa n de a c hi sa b o u th a l fam e t e rh i g h ，o n w h i c ho f f e r sv e r yg o o dh a r d w a r ee n v i r o n m e n tt om a k er e s e a r c h m e a n w h i l ea k i n d o fv i s u a ls o f t w a r ev i s u a l b a s i c 6 0h a sb e e ns e l e c t e dt ob ea st h ed e v e l o p m e n tt o o i i no r d e rt om a k et e a c h i n gm u c hm o r ec o n v e n i e n t i nt h i s p a p e r , l o g i cc o n t r o l ， m o t i o nc o n t r o la n df a u l t sd i a g n o s i so fa ne l e v a t o rs y s t e mh a sb e e ni n t r o d u c e di n d e t a i l t h eb a s i cf u n c t i o n so fa ne l e v a t o rs u c ha sc a l l i n ga m o n gf l o o r s ，c o n t r o lo n s t a r t u p a n ds t o p e m e r g e n c yc a l l ，a u t o m a t i o nr u n n i n g ，f i r e c o n t r o l r u n n i n g ， e x a m i n ea n dc o n t r o lr u n n i n g 。d r i v i n gr u n n i n g ，s e c u r i t ys u p e r v i s i o n ，f a u l t sd i a g n o s i s h a v eb e e nr e a l i z e d f i r s t l y ，t h el o g i cc o n t r o ls y s t e mi st h em o s t b a s i cl o o po fa l le l e v a t o rs y s t e m s t h el o g i cc o n t r o ls o f t w a r ei sd e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h eb a s i cc a l l i n gr e l a t i o n s h i p a m o n g f l o o r s a n dd a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e nc o m p u t e ra n de x p e r i m e n te q u i p m e n t h a sb e e nr e a l i z e dt h r o u g had a t a c o l l e c t i n gc a r dn a m e dp c l 一7 2 2 s e c o n d l y , t h em o t i o nc o n t r o ls y s t e mi st h em o s ti m p o r t a n tl o o p o fa l l s y s t e m s r u n n i n gs m o o t h l ya n dr a p i d l y i n d i c a t e sag o o dp e r f o r m a n c eo fe l e v a t o rm o t i o n s o a v e r yg o o d e l e v a t o rm a k e s p a s s e n g e r sn o f e e lw h e ni ts t a r t su da n ds t o p s ，a n di t c a nt a k ep a s s e n g e r sm o v eu pa n dd o w nv e r yq u i c k l ya sw e l l s ot os e l e c tag o o d m o t i o nc u r v ei sv e r yi m p o r t a n t i nt h ep r o j e c tab e e l i n e - p a r a b o l am o v e m e n t c u r v e h a sb e e ns e l e c t e db e c a u s eo fi t sv i r t u e a n dac o n v e r t o rh a sc o m p l e t e dt h es p e e d c o n t r o lp r o c e s s ，w h i c hi sa b l et oa d j u s tf r e q u e n c yw i t hap r e c i s i o no fo 0 1h z a sa c o n s e q u e n c e t h es o f ts t a r t u da n ds t o pc a nb er e a l i z e d f i n a l l y , t h ec a u s e sa n dt h er e s o l v e so ft h ee l e v a t o rf a u l t s h a v eb e e nf o u n d a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ho na l ls o r t so fe l e v a t o r s a f a u l t sd i a g n o s i sp r o g r a mh a s b e e nd e v e l o p e dt oc o n v e n i e n tw o r k e r si no r d e rt h a tt h e yc a rk n o wt h es p o to f f a u l t sw i t h o u tg o i n gt ot h el o c a l e a n daf a u l t se x a m i n a t i o np r o g r a mh a sa l s ob e e n d e v e l o p e di no r d e r t ot r a i nt h ee n g i n e e r so nb o a r d i n c o n c l u s i o n ，q u i t e al o to fu s e f u l t e c h n o l o g i e s s u c ha sd a t a c o l l e c t i n g t e c h n o l o g y , s e r i a lc o m m u n i c a t i o na n dd a t a b a s et e c h n o l o g yh a v eb e e ns t u d i e di n t h i sp r o j e c t m o r e o v e rt h e t r a i n i n gc o n d i t i o n sh a v e b e e n i m p r o v e d ，a n d t h e t e a c h i n g l e v e lb e c o m e sm u c hh i g h e r c o n gl i n ( c o n t r o lt h e o r ya n d c o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yz h e n gh u a y a o k e y w o r d s ：d a t a c o l l e c t i n g 1 0 9 i cc o n t r o l ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，o p t i m i z i n gc o n t r o l f m q u e n c y c o n v e m i o n ，f a u l t sd i a g n o s i s 1 1 i 论文独创性声明 y 。 6 40 8 7 3 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。论文中除了特n d l ：l 以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其 他机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和 所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 作者签字：鉴碴日期： 论文使用授权性声明 m 一锒7 - ， 本人同意上海海运学院有关保留、使用学位论文的规定。即： 学校有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅或借阅；学校上网 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其他复制手 段保留论文。保密的论在解密后遵守此规定。 作者签字：生皇牛导师签 屯榉吼世丝 上海海事大学硕士学位论文 电梯控制的实时仿真装置及其故障诊断 第一章绪论 1 1 电梯发展概况 电梯出现已经有1 0 0 多年历史了，在这1 0 0 年的历史中全球电梯技术飞速发展， 中国也从无到有，现在中国的电梯技术已经融国际先进技术与一体，形成了特有的电 梯技术系统。 国外的电梯技术主要是三大系列： ( 1 ) 美国技术； ( 2 ) 欧洲技术； ( 3 1 亚洲技术。 美国电梯技术是以o t i s 为主的电梯技术，其中包括加拿大。美国技术始终保留 先进技术，所以从没有将最先进的电梯技术在世界各国应用。 欧洲电梯技术是国际上应用最广的电梯技术。在全球欧洲电梯技术以电梯耐用而 称著，一般电梯寿命为2 5 年。加上欧洲人比美国人市场先导性好，所以在全球进行 合资合作，使欧洲电梯技术成为国际通用技术之先锋，同时欧洲电梯标准也为国际电 梯标准。 亚洲电梯技术是以日本为主导的电梯技术。而日本由于对用户心理掌握的好，以 舒适性好而闻名。但是日本为了自身利益考虑，所以虽然使用时的舒适感好，而电梯 寿命只有欧洲电梯的6 0 ，保证使用寿命只有1 5 年。 国有电梯产业，无论在电梯舒适感与电梯寿命方面均同时采用欧洲阻及日本的长 处，使电梯寿命长而舒适感好。但在技术方面，国产电梯的技术起码要比先进技术落 后l o 年。这主要缘由我们只追求合资效益，缺少对国外先进技术的研究。 我国电梯事业起步较晚，但发展很快。独立自主制造各类电梯产品，如交流货梯、 客梯，直流快速、高速客梯等。随着我囡的经济开发，吸取和引进了国外先进的电梯 技术、先进的制造工艺与设备、先进的科学管理，使我国电梯工业取得了巨大的发展。 然而国内尽管在近十多年的努力中，逐步建立了比较完整的电梯制造、安装及维保的 标准和规定，电梯技术的发展十分迅猛，但仍处于模仿和追踪的状态。 如今现代化电梯的性能和功能随着变频技术和微电子技术的发展，而日臻完美。 以d s p 和嵌入式芯片为内核的电梯控制系统实现了快速、精确、优良的运行特性， 遥测遥控和智能化管理技术，更广见于智能化小区和智能化楼宇的群控系统中。智能 电梯已成为智能化大厦必不可少的组成部分。但在我国，智能化和安全可靠性两方面 电梯与国外电梯还有一定差距。 ( 1 ) 智能化。近代的智能化电梯是传统控制技术无法比拟的。传统的控制是一种 上海海事大学硕士学位论文 电拂控制的实时仿真装置及其故障诊断 技术的事先安排，说到底是一种程序控制，是一种周期性的系统自动控制，还算不上 智能。而真正的智能电梯应更具人性化特点，它覆盖了传统控制技术的所有优点，而 且具有动态和随机处理各种问题的能力，诸如能根据轿裾内的情况狃各层的候梯信 息，自动地制定每次最优的运动速度和停车决策：自动选择运动方面；双向语音交流： 到达目的层的语音提示等，让乘客有更多的主动性，使大楼交通运输实现真正的人机 对话。 智能化要求电梯有自动安全检测功能，让电梯自己能够检测到电梯的故障所在 并及时报警予以排除。 f 2 ) 安全可靠性。运行安全可靠是电梯的根本和关键。可以蜕，电梯的全部其他 工作都是以此为中心展开的，使电梯安全运行更有保障。运行安全可靠不仅要消除电 梯启动时较强的电磁辐射，使用安全材料和运行稳定，而且要有- n , 良好的视觉效果， 让每一位乘客在宽敞、明亮轿厢内有安全、舒适的好心情。同时，电梯安全可靠运行 也要求电梯在运行中发生故障时，保证乘客与外界便捷的沟通联系。 如今，为了缩短与世界发达国家的技术差距，现代化智能电梯做好v v v f ( 变压 变频) 和微机网络控制、液压控制、配套件技术和质量等方面的研究是必要的。电梯 模糊与神经网络控制，多微机矢量控制高速电梯传动系统，无机房电梯，绿色电梯都 是本学科领域的科技发展前沿，亟需深入的开发和研究。 1 2 本文主要工作 在本课题的研究中应完成以下任务： ( 1 ) 深入研究电梯的智能控制原理，对电梯故障作了广泛性的调研； ( 2 ) 分析船用电梯与陆用电梯的区别，对船用电梯的特殊适应性进行研究。针对 船用电梯的基本情况建筑了六层高( 每层高约0 5 米) 的电梯模型，为课题提供基本 硬件设备； ( 3 ) 根据电梯的逻辑关系应用v i s u a l b a s i c 语言编写逻辑控制程序。采用研华 p c l 一7 2 2 板卡进行数据的采集，连接软硬件，实现电梯基本功能：自动运行状态、驾 驶员状态、检修! 状态。 ( 4 ) 根据电梯交流调速的原理建模，设计并仿真合理的电梯运行速度曲线，兼顾 满足乘客舒适度、提高运行效率的双重目的，通过变频技术实现软启动运行，优化速 度越线。应用r s 4 8 5 串口通讯技术进行实对数据传输，使优化的速度曲线通过工控 机与变频器之间的数据通讯得以实现； ( 5 ) 对电梯常见的故障进行仿真，基于v b 平台通过数据库链接技术模拟故障诊 断程序，并编写故障诊断程序和故障测试界面以模拟教学实验； 上海海事大学硕士学拉论文 电梯控制的实时仿真装簧及其故障诊断 本课题“智能电梯的模拟仿真系统及其故障诊断”利用v i s u a l b a s i c 语言进行开 发。如图1 1 为电梯开发主界面。 图1 l 电梯开发主界面 1 3 课题盎勺应用价值 随着智能化楼宇技术的不断完善和与世界接轨，智能化楼宇产品的优化集成与 信息化、网络化等技术也越来越趋向成熟。智能化技术作为当代信息技术、自动控制 技术和计算机技术与建筑技术的结合的产物，改变了传统结构，打破了原有的时空概 念。使工作效率和经济效率成指数的增加，极大促进了行业进步和国民经济的发展。 智能楼宇技术的发展不仅提高了居住的安全性、舒适性和方便性，而且改变了居住观 念和居住质量。 智能化电梯是智能楼宇系统必不可少的重要组成部分。电梯在操纵控制方式方 面的发展经历了手柄开关操纵、按钮控制、信号控制、集选控制等过程，对于多台电 梯出现了并联控制、智能群控。智能化电梯的人机交互系统是现代智能控制的关键。 该系统作为智麓大厦、楼宇系统的监控成员之一为人性化管理的发展奠定了研究方 向，实现了“节能、安全、高效、舒适、环保”的最终目的。 随着当代船舶的蓬勃发展，第五代集装箱船舶已装备了船用电梯，给船舶轮机 员增添了电梯设备运行管理和维护的新职责。为弥补实验教学和船员培训设施的不 足，开发电梯模拟系统是十分有必要的。模拟装置进行完备的层间呼叫、起停控制、 应急呼叫、平层控制和门机开闭控制等模拟操作和部分故障检测训练，还可以开展软 启动控制特性模拟和远程监控的研究。 电梯的舒适度和屯梯的运行效率是评价屯梯性能的最重要指标，本课题应用串 上海海事大学硕士学位论文 电梯控制的实时仿真装置及其故障诊断 口通讯技术解决微机与变频器的远程通讯，以优化的速度运行曲线实现了电梯舒适、 高效的双重目的。课题不仅开发了电梯设备智能监控系统，叙述了智能电梯软启动运 行远程监控的仿真技术。而且对船用电梯的特殊之处也傲了深入的研究和探索。电梯 控制仿真装置，既适用于实验教学，又可用于维护、保养和控制的深入钻研。 此外，课题还开发了电梯常见故障的分析和诊断程序，就电梯常见故障的调研 结果进行了总结和提炼。应用数据库链接技术基于v b 平台把故障现象、专家解释原 因和排除方法在v b 界面显示出来，针对故障出现开发了能给予提示原因、解决方法 的人机交互界面，方便了故障的查找和排除。该软件还可以记录每次故障具体情况以 及增加新故障、新原因和新的解决方法。根据航运仿真中心培训轮机员的任务，论文 就常见故障的原因和可能的排除方法设计开发了故障测试程序，为实验室培养现代船 舶轮机员提供了灵活、便捷的教学方案。 4 卜海海事大学硕士学位论文电梯控制的实时仿真装置及其故障诊断 第二章电梯的基本概述 2 1 电梯曳引的基本原理 2 1 1 电梯曳引传动的原理及其优越性 曳引式提升机构是世界上电梯行业广泛采用 的提升形式。 在曳引式提升机构中，钢丝绳悬挂在曳引轮 上，其一端与轿厢连接，另一端与对重( 平衡重) 连 接。曳引轮转动时，使曳引钢丝绳与曳引轮之间产。 生摩擦力，从而带动电梯轿厢上、下升降，如图2 1 所示。 r 次 、 ) 过v n 。 厂、 1fiil ：卜；一 轿厢 图2 - 1 曳引架 由于悬挂轿厢和对重的曳引钢丝绳与曳引轮绳槽间有足够的摩擦力来克服任何 位置上的轿厢侧和对重侧曳引钢丝绳上的拉力差，因此保证了轿厢和对重随着曳引轮 的正转和反转，而不断地上升和下降。 曳引式提升机构与卷扬式( 或称强制式) 提升机构相比具有以下优越性： ( 1 ) 安全可靠如果下降中的轿厢或对重因为某种原因冲击低坑中缓冲器时，曳 引式提升机构能自动消失曳引能力，不至于使轿厢或对重继续向上运行直到冲击电梯 机房楼板或拉断曳引钢丝绳，造成伤亡事故和财产损失。 ( 2 ) 允许提升高度大曳引式提升机构不像卷扬式提升机构那样，随着电梯的上 升，曳日i 钢丝绳不断地一圈一圈地绕在卷筒上，其曳引钢丝绳的长度不受限制，因此 可以实现将轿厢提升到任何实际需要的高度上。 ( 3 ) 结构紧凑对于垂直起吊设备，根据规范要求，曳引轮( 或卷筒) 直径与钢丝 绳直径之比不得小于4 0 。 曳引式提升机构可以比较容易地通过增加钢丝绳的根数或减少曳引钢丝绳的直 径，从而可达到曳引轮直径的减小和使整个提升机构的重量减轻。 由于电梯上曳引钢丝绳都在3 根以上，因此电梯上采用曳引式提升机构比卷扬式 提升机构的结构更紧凑。 ( 4 ) 便于选用价格便宜、结构紧凑的高转速电动机在电梯额定速度一定的情况 下，曳引轮直径越小，则需要曳引轮转速越高，与此同时也就要求驱动电动机转速越 高。因此采用曳引式提升机构便于选用结构紧凑、价格便宜的高转速电动机。 2 1 2 常见的曳引传动机构 一、常见的曳引传动结构的特点及其应用 日前电梯生产中常见的最基本的曳引传动结构如图2 2 所示。其中图舢结构最为 上海海事人学硕士学位论文电梯控制的实时仿真装胃及其故障诊断 简单，其应用也最为广泛，一般交流客梯或载重量较小的货梯大多采用这种结构。 一般的货梯由于使用并不频繁，因此对于电梯的提升速度要求并不高，但希望载 重量能大一些。 在不增加电动机功率的情况下，为了增大货物的载重量降低电梯的提升速度，这 对提升机构的使用效率是有利的。所以载货电梯一般都采用图b ) 的结构。 如果曳引钢丝绳和曳引轮之间的摩擦力表现不足，需要增大钢丝绳在曳引轮上的 包角时，就采用复绕式结构，如图c ) 所示。 b 。， 图2 - 2 电梯曳引钢绳绕法 a ) 1 ：l 绕法的有齿轮电梯 b ) 2 ：1 绕法的有齿轮电梯c ) 2 ：1 绕法的无齿轮电梯 该结构目前大都应用在高速直流无齿轮电梯上，这里只是讲的一般情况，无齿轮 直流电梯也有采用单绕的。 二、曳引比的概念 曳引比是电梯上的术语，是指电梯在运行时曳引钢丝绳的线速度与轿厢升降速度 之比值。 若曳引钢丝绳速度等于轿厢的升降速度，就称曳引比为l ：l ，图2 3a ) 结构即为 1 ：1 结构；若曳引钢丝绳的线速度等于轿厢的升降速度的2 倍，则曳引比为2 ：1 ，图 2 - 3b ) 、c ) 结构即为2 ：1 结构。 三、复绕的概念 复绕是指曳引钢丝绳不是简单地挂在曳引轮上，而是需要在曳引轮上再绕一圈才 能与轿厢和对重固定。图2 3c ) 结构。 上海海事大学硕士学位论文电梯控制的实时仿真装置及其故障诊断 筑翻蹴 囤2 - 3 各种曳引比 2 1 3 曳引系统 曳引机是驱动电梯的轿厢和对重装置作上、下运行的装置。曳引机可分为无齿轮 曳引机和有齿轮曳引机两种。 一、无齿轮曳引机( 无减速器曳引机) 无齿轮曳引机用在运行速度v 2 o m s 的高速电梯上，如图2 4 所示。这种曳引机 的曳引轮紧固在曳引电动机轴上，没有机械减速机构，整机结构比较简单。曳引电动 机是专为电梯设计和制造的，能适应电梯运行工作特点，具有良好调速性能的直流电 动机或交流变频电动机。 图2 _ 4 无减速曳引机构简图 a 】结构示意图b 、外形图 该曳引机制动时所需要的制动力矩要比有减速器曳引机大得多，因此无减速器曳 引机的制动器比较大。 卜海海事大学硕士学位论文 电梯控制的实时仿真装置及其故障诊断 由于无减速器曳引机多数情况是用于复绕传动结构中，所以曳引轮轴、复绕轮轴 及其轴承的受力要比有减速器曳引机大得多，相应的轴也显得粗大。由于无减速器曳 引机没有减速器等有利因素，使用寿命比较长。 二、有齿轮曳引机 有齿轮曳引机广泛用在运行速度v 2 0 m s 的各种货梯、客梯、杂物电梯上。 为了减小曳引机运行时的噪声和提高平稳性，一般采用蜗轮副作减速传动装置。这种 曳引机主要由曳引电动机、蜗杆、蜗轮、制动器、曳引绳轮、机座等构成，其外形如 图2 - 5 所示。也有行星齿轮作减速的行星曳引机( e p d ) ，如图2 - 6 所示。 ” 图2 5 有齿轮曳引机 a ) 有齿轮曳引机外形结构圈b ) 外形图 1 一惯性轮2 一曳引电动机3 一制动器4 一曳引机底盘5 一涡轮副减速箱6 一曳引轮 图2 - 6 行星曳引机 如图2 5 曳引电动机通过联轴器与蜗杆联接下置式，蜗轮与曳引绳轮同装在一根 轴上。由于蜗杆与蜗轮问有啮合关系，曳引电动机能够通过蜗杆驱动蜗轮和绳轮作正 上海海事大学硕十学位论文 电梯控制的实时仿真装置及其故障诊断 反向运行。电梯的轿厢和对重装置分别连接在曳引钢丝绳的两端，曳引钢丝绳挂在曳 引轮上。曳引绳轮转动时，通过曳引绳和曳引轮之间的摩擦力( 也q 曳引力) ，驱动轿 厢和对重装置上下运行。为了提高电梯的曳引力，在曳引轮上加工有如图2 - 7 所示的 曳引绳槽，曳引钢丝绳分别就位于绳槽内。 采用半绕2 ：1 吊索法和有齿轮曳引机的电梯，其曳引系统如图：2 - 8 所示。 闰2 7 曳引绳槽 圈2 - 8 吊索法的曳引系统 卜一曳引电动机2 一涡杆3 一涡轮4 一曳引绳轮5 一曳 引钢丝绳6 一对重轮7 一对重装置8 轿顶轮9 轿厢 曳引机是电梯的主要部件之一。电梯的载荷、运行速度等主要参数取决于曳引机 的电机功率和转速，蜗杆与蜗轮的模数和减速比，曳引轮的直径和绳槽数，以及曳引 比( 曳引方式) 等。它们之间的各种关系在电梯系列型谱中，均按国家标准规定。 2 2 电梯电力驱动基础 2 2 1 电梯电力驱动系统的定义及构成 电梯的驱动电动机的类型把电梯分为交流电梯和直流电梯两大类，所以电梯的电 力驱动系统也相应分为两大类：交流驱动系统和直流驱动系统，即用三相交流感应电 动机为主体的交流驱动系统和用直流电动机为主体的赢流驱动系统。 但就电梯的电力驱动系统而言，不管用交流驱动系统还是用直流驱动系统，电梯 的驱动系统应与电梯的整体联系起来加以分析和研究。电梯的驱动系统框图由四个部 分组成，如图2 9 所示。 ：海海事大学硕士学位论文 电梯控制的实时仿真装置及其故障诊断 图2 - 9 电梯驱动系统的构成框图 l 一电梯的工作机构( 轿厢、对重等) 是电梯电力驱动控制的对象和目标 2 一电梯的机械传动装置3 一电动机4 一电梯驱动系统的电气自动控制部分 2 2 2 电梯负载的特点 我们知道电梯是一个作间歇运动的垂直 运输机械。一般电梯的负荷图如图2 1 0 所示 ( 按电梯满载向上运行测定的等效电流而绘 制1 。 从图2 1 0 可以看出电梯的负载在不同载 荷、不同运行方向情况下具有如下特点： ( 1 ) 电梯间歇负荷。因电梯的门关闭后才 可运行，也即电梯在开闭门过程中或在待客过 程中，电梯的主驱动系统是不工作的，就是说 电梯的负载为0 。而当电梯起动运行后，则需 图2 1 0 电梯的负荷 视负载的情况和上、下行运行方向有不同的负荷。 ( 2 ) 按电梯负载的实际情况又可分为二类，反应负载：此类负载在电梯传动系 统中，不管电梯是向上运行或是向下运行，总是阻止电梯的运行。例如电梯的导靴与 导轨的摩擦阻力( 或阻力矩) ，而且 当主转矩反向时此反应负载通过 “0 ”点有一次折断f 如图2 1 1 a 所 示) 。位能负载：此类负载与电梯 的运行方向有关，在一个方向阻止 电梯运动( 例如电梯空载下行) ，而 在另一个方向则是帮助电梯运动 ( 例如电梯的空载上行1 。 i 村l 。 + 吖 i 一甜0 i “ h 1 电梯的负载特性 ( 3 ) 从上述二点我们可以得 a ) 电梯的反应负载6 ) 电梯的位能负载 出电梯的负载转矩方程式，即：i m 。f - i m 。i = 动态转矩，也即 i m 。i 千忱i = ，警 ( 2 一1 ) 上海海事大学硕士学位论文 电梯控制的实时仿真装置及其故障诊断 2 23 电梯系统的运动方程式 从上述的电梯负载特点中可以得出电梯系统的运动方程式为 m d = m j + m c m s ：，竺 d 式中： 电梯曳引电机产生的机械转矩； m ，电梯传动系统的动态转矩； m ，电梯的实际负载转矩； j 电梯系统的转动惯量。 将式( 2 - 3 ) 代人式( 2 2 ) 中，则可得到运动方程式的另一种写法，即 m d 副鼍+ m c 而我们知道， ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) d d w ：里生一d n g d 2 塑( 2 - 5 ) 出 4 9 3 0 d t3 7 5d t 这样电梯的运动方程式又可改写为 mo-壁一dn+mc(2-6)37 5d t 。 式( 2 6 ) 即是电梯的运动方程式，实质上是转矩与其转速的关系，即m = f ( n ) 。 从式( 2 4 ) 、( 2 6 ) 的电梯运动系统方程式中，即可以判定电梯驱动系统的工作状态 是处于稳速、加速或是工作在减速运动状态。 ( 1 ) 当m 。= m 。时，即m 。一m 。= j d w d t = 0 ，此时电梯驱动系统处于稳速运行状 态。 ( 2 ) 当m d m c 时，即( 肘。一肘c ) 0 ，也即j d w d t 0 ，为( + ) 值，说明电梯的驱 动系统处于加速状态，随着驱动系统的转速逐渐增加，使d w d t o ，直到d w d t = 0 ， 也即m 。= m ，时加速至稳速运行状态。 ( 3 ) 当m 。 m c 时，即( m d m c ) 0 ，也即j d w d t 0 ，为( 一) 值，说明电梯的驱 动系统处于减速状态，直至m 。= 0 使一d w d t m 。，直到卜_ d w d t = m 。时，也即减 速至电梯停车状态。 2 3 船舶电梯概述 2 3 1 船舶电梯的发展 随着电梯技术的不断成熟，当代建造的大型集装厢船舶和豪华客轮中，船用电梯 已成为不可缺少的设施，它的设计起点高，具有新颖性、高可靠性。船用电梯的机电 上海海事大学硕士学位论文 电梯控制的实时仿真装置及其故障诊断 设备采用了智能监控，例如日常的维修预检、烟火监视、消防运行系统可以通过远程 召唤部分子程序模块来完成。 下面就介绍一下船用电梯的国内外的发展。 日本潮冷热株式会社( u s h i or e i n e t s uc o ，l t d ) 是日本船用设备专业生产 商。他们研制的u s h i o 船舶用电梯“华普先生”面向j g 、n k 、l r 、b v 、a b s 等 各船级，满足客户的多种需要。每个细小环节都采用高新技术，使用船舶用电脑程序 控制技术，制造出了比其他公司更舒适的船用电梯。为了不断提高产品的安全性和质 量，实行2 4 小时不问断测试，创造船上舒适的行动空间。应用转换开关更精确地控 制，使电梯更能平稳地运行。 1 9 6 3 年，4 台船用电梯安装在苏联“伊里奇”2 ，7 万t 货船上，由此填补了我国制 造船用电梯的空白。 现在，沈阳优力维特电梯制造厂研制的船用电梯是为适应国内造船业需求而开发 的特殊用途电梯，该产品除具备普通电梯的功能外，还具有设计结构独特、运行性能可 靠、防潮湿、抗盐雾、抗氧化、在规定的船舶摇摆角度内仍然能正常运行等特点。 我国三峡永久船闸试通航，这是迄今世界上级数最多( 5 级) 和总水头最高( 1 1 3 米) 的内河航运船闸。位于长江左岸的这座双线五级船闸旁有一台巨型船用电梯，额 定毛载重1 1 8 0 0 吨，提升船只重量3 0 0 0 吨，提升高度1 1 3 米，堪称世界之最。 2 3 2 船舶电梯的特殊适应。眭 当代建造的大型集装厢船舶和豪华客轮中，船用电梯已成为不可缺少的设施，基 于船舶电力拖动设备高可靠性和电磁兼容性的要求，船用电梯采用了新颖的变频装置 和软启动控制技术。除此之外，船用电梯还具备针对船舶摇晃和倾斜时的预警以及应 急处理等特殊功能。 船舶电梯的一个重要特点就是在船舶摇摆时，电梯的特殊适应性。船舶电梯要求 当船体横摆或纵摆超过1 0 。时电梯应停靠在最近的一个层面并停止运行，因为此时 轿厢和对重产生晃动，即使电梯可靠性很高，也容易发生危险。所以需要安装检测船 舶摇摆度的传感器( 比如触点式介质液位传感器) 。 如图2 1 2 所示，当摇摆度超过警戒线时，传感器发出报警信号，电梯停靠在最 近的一个层而并停止运行。 图2 1 2 利用触点式介质液位传感器报 上海海事大学硕上学位论文 电梯控制的实时仿真装置及其故障诠断 又如电磁感应是传感器或接近开关。通过钟摆型金属靠近感应面时，金属中产生 的涡流吸取振荡器的能量变化量。如图2 1 3 所示，当位移量超过警戒线时，传感器 发出报警，电梯停靠在最近的一个层面并停止运行。 例2 - 1 3 利用接近开关的报警 当然，值得注意的是；信号接收后，要有预警、滤波、延迟等环节，预警即预备 报警，因为船体晃动可能是偶尔的一下，并没有大的浪涌波动，这时是没有必要报警 的，所以要进行滤波，把不必要干扰信号滤掉。滤波后再通过时间延迟或次数延迟后 确定是否真正遇到大风浪和超过1 0 。的摇摆，这时才会发出真正的报警信号。 2 33 基于船舶电梯开发实验室硬件设备 当代船舶电梯外形和层高设计均依据船舶 设备的规定。由于船舶的空间范围限制，船舶 电梯一般不超过1 0 层，本课题囿于实验室环境， 建筑了一个六层的电梯模型，每层高仅半米左 右，如图2 1 4 ( a ) 所示。该模型有完整的电梯 机构：曳引机、曳引绳索、电梯轨道、轿厢、 对重、层门、门锁、各种指示按钮、各种安全 保护传感器、各种执行机构。由于电梯模型较 小，为了便于控制和实验，电梯层内、外呼叫 按钮均放在控制柜上，如图2 1 4 ( b ) 所示。此 ( a ) ( b ) 电梯模型主要用于船舶轮机员的实验培训。 。要淼嚣模篙冀箍 r 海海事大学硕士学位论文 电梯控制的实时仿真装置及菇故障诊断 第三章电梯逻辑控制的仿真与开发 3 1 电梯逻辑控制系统主要环节 电梯安全可靠运行的必要条件有： ( 1 ) 必须把电梯的轿厢门和各个层楼的电梯层门全部关闭好这是电梯安全 运行的关键，是保障乘客和司机等人员的人身安全的最重要保证之一。 ( 2 ) 必须要有确定的电梯运行方向( 上行或下行) _ 一这是电梯的最基本的任务， 即把乘客( 或货物) 送上或送下到需要停层的层楼。 ( 3 ) 电梯系统的所有机械及电气机械安全保护系统有效而可靠这是确保电 梯设备和乘客人身安全的基本保证。 根据上述的电梯安全可靠运行的必要条件，以及电梯的运行工艺过程，现就一般 电梯的控制系统的各个主要逻辑控制环节进行详细说明。 3 1 1 电梯自动开关门的控制环节 从前面所述中可知，电梯的开关门机构是非常重要的，该机构可以是人工手动的， 也可以是电气机械自动的。现就自动开关门环节工作原理说明如下。 1 对自动开关门机构( 或称之为“自动门系统”) 的要求： ( 1 ) 自动门机构必须随电梯轿厢移动，即要求把自动门机构安装于轿厢顶上，除 了能带动轿厢门启闭外，还应能通过机械方法使电梯轿厢在各个层楼门区安全范围内 能方便地使各层的外层门也能随着轿厢门的启闭而同步启闭。 ( 2 ) 当轿厢门和某层楼的层门闭合后，应由电气机械设备的机械钩子和电气接点 予以表现和考核。 ( 3 ) 开关门动作平稳，不得有剧烈的抖动和 异常响声，按国家标准规定，开关门系统在开关 门过程中其运行噪声不得大于6 5 d b ( a 级1 。 ( 4 ) 关门时间一般为3 5 s ，而开门时间一般 为2 5 4 s 。 ( 5 ) 自动门系统调整简单方便，便于维修。 ( 6 ) 门电机要具有一定的堵转能力。 根据以上要求，自动门电机安装于电梯轿厢 f j 上力- ，如图3 - l 所示。 图3 - 1 电梯门电机 2 速度调节方法 为了使电梯的轿厢门和某层层门在启闭过程中达到快、稳的要求，必须对自动门 机系统进行速度调节，以满足对自动门机系统的要求，一般调速方法有： 1 4 上海海事大学硕士学位论文 电梯控制的实时仿真装置及其故障诊断 ( 1 ) 用小型直流伺服电动机作自动门机的驱动时，常用电阻的串、并联调速 方法( 即“电枢分流法”) 。 ( 2 ) 用小型三相交流力矩电动机作自动门机的驱动力时，常用旌加涡流制动器的 调速方法。 电梯模型采用直流司服电动机作为驱动，如图3 一l 所示。该电机型号为：2 4 s y 0 1 ， s y 型永磁式直流伺服电动机，它的性能参数为：电压：1 2 v ；电流：0 2 3 a ：转速： 2 7 0 0 r m i n ：转矩：4 4 l o 3 n m ；外形尺寸：中2 4 5 0 m m 。该电机具有体积小、重 量轻、伺服性能好、力能指标高等优点。广泛用于自动控制系统中作执行元件，亦可 作驱动元件。 3 1 2 电梯的方向控制环节 任何类别的电梯，其运行的必要条件之一“要有确定的电梯运行方向”，因 此所有电梯的确定运行方向的控制环节简称“定向环节”，在所有电梯的整体控 制系统中也与电梯的自动开关门控制环节一样，是一个至关重要的控制环节。 所谓电梯的方向控制环节，是根据电梯轿厢内乘客欲往层楼的位置信号或各层楼 大厅乘客的召唤信号位置与电梯所处层楼的位置信号进行比较：凡是在电梯位置信号 上方向的轿内或层楼厅外召唤信号，则电梯定上行方向；凡在其下方向的，则定下行 方向。 在方向控制环节中，一般集选电梯必须满足下列几点要求。 ( 1 ) 轿内指令信号优先于各层楼厅外召唤信号而定向，即当空轿厢电梯被某层厅 外乘客召唤到达该层后，某层的乘客即可进入电梯轿厢内而揿按指令按钮令电梯定上 行方向( 或下行方向) ；若该乘客虽进入轿厢内且电梯门未关闭而尚未揿按指令按钮前 ( 即电梯尚未定出方向) ，出现其他层楼的厅外召唤信号时，如此召唤信号指令电梯的 运行方向有别于已进入轿厢内的乘客要求指令电梯的运行方向，则电梯的运行方向应 由已进入轿厢内的乘客要求而定向，而刁i 是根据其他层楼厅外乘客的要求而定向。这 就是所谓的“轿内优先于厅外”。 只有当电梯门延时关闭后，而轿内又无指令定向的情况下，才能按各层楼的召唤 信号的要求而定出电梯运行方向，但一旦定出方向后，再有其他层楼的召唤就不能更 改已定的运行方向了。 ( 2 ) 要保持最远层楼召唤信号所要求的电梯运行方向，而不能轻易地更改，这样 以保证最高层楼( 或最低层楼) 乘客的乘用电梯，而只有在电梯完成最远层楼乘客的 要求后，方能改变电梯运行方向。 ( 3 ) 在有司机操纵电梯时，当电梯尚未启动运行的情况下，应让司机有强行改变 电梯运行方向的可能性。这种在我国电梯尚未广泛普及，又以“有司机”操纵为主的 使用情况下；这一“强行换向”也是必要的。 j 海海事大学硕士学位论文 电梯控制的实时仿真装置及其故障诊断 ( 4 ) 而在电梯检修状